​CNC數控機床的自動換刀裝（zhuāng）置及其刀具係統！

一（yī）、鬥笠式刀庫

一般隻能存16~24把刀具，鬥笠式刀庫在換（huàn）刀時整個刀庫向主軸移動（dòng）。當主軸（zhóu）上的刀（dāo）具（jù）進入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這（zhè）時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下（xià）方時主軸下移，使（shǐ）刀具進入主（zhǔ）軸錐孔內，夾緊刀具後，刀庫退回原來的位置。

二、圓盤式刀庫

圓盤式刀庫通常應用在（zài）小型立式綜（zōng）合加工機上。"圓盤刀庫"一般俗稱"盤式（shì）刀庫"，以便和"鬥笠式刀庫（kù）"、"鏈條（tiáo）式刀庫"相區分。圓盤式的刀（dāo）庫容量不大，頂多二（èr）、三（sān）十把刀。需搭配自（zì）動換刀機構（gòu）ATC(AutoToolsChange)進行刀具（jù）交換。

三、鏈條式（shì）刀庫

鏈條式刀庫的特點是可儲放較多數量（liàng）之刀具，一般都在20把以上，有些可儲放120把以上。它是藉由鏈（liàn）條（tiáo）將要換的刀具傳到指定位置，由機械手（shǒu）將刀具裝到主軸上（shàng）。換刀動作均采用（yòng）馬達加機加工中心使用的（de）刀庫最常見（jiàn）的形式是圓（yuán）盤式刀庫（kù）和機械手換刀刀庫。

一、自動換刀裝置（zhì）的形式

1．回轉刀架換刀

回（huí）轉刀架是一種最簡（jiǎn）單的自（zì）動換（huàn）刀裝置，常用於數控車床。可以（yǐ）設計成四方刀架、六角刀架或圓盤（pán）式軸向裝刀刀架（jià）等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把（bǎ）或（huò）更多的（de）刀具，並按數控裝置的指令換刀。

回轉刀架在結構上必須具有良（liáng）好的強度和（hé）剛度，以承受粗（cū）加（jiā）工時的切削抗力。由於車削加工精度在很大程度上取決於刀（dāo）尖（jiān）位置，對於數控車床來說，加（jiā）工過程中刀具位置（zhì）不進行人工調整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀（dāo）架在（zài）每次轉位之後，具有盡可能高的重複定位（wèi）精度（一般為0.001～0.005mm）。

一般情（qíng）況下，回轉刀架的換刀動作包括（kuò）刀架抬（tái）起、刀架（jià）轉位及刀架壓緊（jǐn）等。

2．更換主（zhǔ）軸頭換刀（刀具旋轉為主運動）

更換主軸換刀是帶（dài）有旋轉刀具的數控機床的一種（zhǒng）比較簡單的（de）換（huàn）刀方式。這種主軸頭實際上就是一個轉塔刀（dāo）庫（kù）。

主（zhǔ）軸頭有臥式和立式兩種，通常（cháng）用轉塔的轉位來更換主軸頭（tóu），以實現自動換刀。在轉塔的各個主軸上，預先安裝有各工序所需要的旋轉（zhuǎn）刀具，當（dāng）發（fā）出換刀指令時，各主軸頭依次地轉到加工位置，並接通主運動，使相應的主軸帶動刀具旋（xuán）轉。而其它處於不加工位置上的主軸（zhóu）都與主運動脫開。

這（zhè）種更換主軸換刀裝置，省去了自動鬆（sōng）、夾（jiá）、卸（xiè）刀、裝刀以及刀具搬運等一係列的（de）複雜操作，從而縮短了（le）換（huàn）刀時間，並提高了換刀的可靠性。但是由於空（kōng）間位置的限製，使主軸部件結構尺寸（cùn）不能太大，因而影（yǐng）響了主軸係統的剛性。為了保證（zhèng）主軸的剛性，必須限製主軸的數目，否則（zé）會使結構尺寸增大。因此，轉塔主軸頭通常隻適用於工序較少（shǎo）、精度要求不太高的機床，例如數（shù）控鑽、銑床等。

3.帶刀庫的自動換刀（dāo）係統

由於（yú）回轉刀（dāo）架、轉塔（tǎ）頭式（shì）換刀裝置（zhì）容納的刀具數量不能太（tài）多（duō），不能滿足複雜零件的加工需要，因此，自動換（huàn）刀數控機床多采用帶刀庫（kù）的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置（zhì）由刀庫（kù）和換（huàn）刀機構組成，換（huàn）刀（dāo）過程（chéng）較為複雜（zá）。首先要把加（jiā）工過（guò）程中使用的全部刀具分別安（ān）裝在（zài）標準刀（dāo）柄上，在機外進行尺寸預調整後，按一定的方式放入刀庫。換刀時，先在刀庫中（zhōng）選刀，再由（yóu）換刀（dāo）裝置從刀庫或主（zhǔ）軸上取出刀具，進行交換，將新刀裝入主軸，舊刀放回刀庫。刀（dāo）庫（kù）具有較大（dà）的容量，既可安裝在主軸箱（xiāng）的側麵或上方（fāng）。由於（yú）帶（dài）刀庫的自動換刀裝置的（de）數控機床的主軸（zhóu）箱內隻有一根主軸，主軸部件的剛（gāng）度（dù）要高，以滿足（zú）精密加工要求（qiú）。

另外，刀庫內刀具數量較大，因而能夠進（jìn）行複雜零件的多工序（xù）加工，大大提高了機床的（de）適（shì）應性和加工效率。帶（dài）刀庫的（de）自動換刀係統適用於（yú）數控鑽削中心（xīn）和加工中心。

二、刀庫和刀具的（de）選擇方式（shì）

1.刀庫類（lèi）型

刀（dāo）庫的作用是（shì）儲備一（yī）定數量的刀具，通過機械手實（shí）現與主軸上刀具的互（hù）換。刀庫的類型有盤式刀庫、鏈（liàn）式刀庫（kù）等多種形（xíng）式，刀庫的形式和容量要根據機床的工藝範圍來（lái）確（què）定。圖7-16所示的盤式刀庫，刀具的方（fāng）向與主軸同向（xiàng），換刀時（shí）主軸（zhóu）箱上升到一定的位置，使主軸上（shàng）的（de）刀具（jù）正好對準刀庫最下麵的那個位置（zhì），刀具被夾住，主軸在CNC的控製下，鬆開刀柄，盤（pán）式（shì）刀庫向前運（yùn）動，拔（bá）出主軸上的刀具，然後刀庫將（jiāng）下一個工序所用的刀具旋轉至與主（zhǔ）軸對準的位置（zhì），刀庫後退將新刀具插入主軸（zhóu）孔中，主軸夾緊刀柄，主軸箱下降到工作位置，完成換刀任務，進行下道工序的（de）加工。此（cǐ）換刀裝置的優點是結構簡單，成本（běn）較（jiào）低，換刀可靠性較好；缺點（diǎn）是換刀時間長，適用於刀庫容量較小的加工中心。

對於刀（dāo）庫容量需要較大的（de）加工中心可（kě）采用鏈式刀庫，鏈式刀庫的結構（gòu）緊湊，刀庫容量（liàng）較大，鏈環的形狀可（kě）根據機床（chuáng）的布局製成各種形（xíng）狀，也（yě）可將換刀位突出以便於（yú）換刀。當需要（yào）增加刀具數量時，隻需（xū）增（zēng）加鏈條的長度（dù）即可，給刀庫設（shè）計與製造帶（dài）來了方便。

2.刀具的（de）選擇方（fāng）式

一般的刀庫（kù）內存（cún）放（fàng）有多把刀具（jù），每次換刀前（qián）要進行選刀，常用的（de）選刀方法有順序選刀和任意選刀兩種，順序選刀是在加工之前，將加工零件所需刀具按照（zhào）工（gōng）藝要求依次插入刀（dāo）庫的刀（dāo）套中，加工是按順序調刀，加工不同的工件（jiàn）時必須重（chóng）新調整刀庫中的刀具順序。其優點是刀（dāo）庫的驅動和控製都比較（jiào）簡單。因此，這種方式適合加工批量較大、工件品（pǐn）種數量較少的中、小型數控機床的自動換刀。

隨著數控係統的發（fā）展，目前大多數的數控係統都采用任意選刀的方式，其分為刀套編（biān）碼、刀具編碼和記憶式等三種（zhǒng）。

3.刀具（jù）編碼方式

刀具編碼或刀套編碼需要在刀具或刀套上安裝用於識別的編碼（mǎ）條，一般都是根據二進製編碼的原理進行編碼。刀具編碼選刀方式采用了一種特殊的刀柄（bǐng）結構，並對每把刀具編碼。每把刀（dāo）具都具有（yǒu）自己的代碼，因而刀具可在不同的工（gōng）序中多（duō）次重複使用，換下的刀具不用放回原刀座，刀庫的容量（liàng）也可相應減少。但每把刀具上都帶有（yǒu）專用的編（biān）碼環，刀（dāo）具長度加長，製造困難（nán），刀庫和（hé）機械手的結構變複雜（zá）。刀（dāo）套編碼的方式是一把刀具隻（zhī）對應一（yī）個刀套，從一個刀（dāo）套中取出的刀具必須放回同一刀套中，取送刀（dāo）具（jù）十分麻煩，換刀時間長。目前（qián）在加工（gōng）中心上大量使用記憶（yì）式的方式。這（zhè）種方式能將刀具號和刀庫中的刀套位置對應地記憶在數控係統的PLC中，無論刀具放在哪個刀套內，刀具信息都始終（zhōng）記存在PLC內。刀庫上裝有位置檢測裝置，可獲得每個刀套的位（wèi）置信息。這樣刀具就可（kě）以任意取出並送回。刀庫上還設有機械原點，使每次選刀時（shí）就近選取。

三、刀具（jù）交換裝置

數控機（jī）床的自動換刀裝置中，實現刀（dāo）庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。刀具的交換（huàn）方式有（yǒu）兩（liǎng）種：由刀庫與機床主軸的相對運動實（shí）現刀具交換（huàn）以及采用機械手交換刀具。利用刀庫與機床主軸的相對運動實（shí）現刀具交換的裝置在換刀時（shí）必須首先（xiān）將用過的刀具送（sòng）回刀庫，然後再從刀庫中（zhōng）取（qǔ）出新刀具，兩個動作不能同時進（jìn）行，換（huàn）刀（dāo）時間較長。而采用機械（xiè）手換刀裝置在換刀時能夠同時抓取和裝卸機床主軸和刀庫中的刀具，因此換刀（dāo）時（shí）間進一步縮（suō）短。采用機械手進行刀具交換的方式應（yīng）用最廣泛。這是因為機械手換刀靈活，動作快，而且結（jié）構簡單（dān）。機械（xiè）手能夠完（wán）成抓刀—拔刀—回轉—插刀—返回等一係列動作。為了防（fáng）止刀具掉落，機械手的活動爪都帶有自（zì）鎖機（jī）構。

下麵是世界上最現代化的（de）數控機床換刀，換刀無影手！

16位自動換（huàn）刀刀庫（kù）

1、刀具交換方式

數控機床的自動換（huàn）刀裝（zhuāng）置中，實（shí）現刀庫與機（jī）床主軸之間傳遞和裝卸（xiè）刀具的裝置（zhì）稱為刀具交換裝置。刀（dāo）具的（de）交換方式和它（tā）們的具體結（jié）構對機床的生產率和工作可靠（kào）性有著直接的影響。

刀具（jù）的交換方式很多，一（yī）般可分為以（yǐ）下兩大類。

（一）無機械手換刀

無機械手換刀（dāo），是由刀庫和機床主軸的相對運動實現的刀具交換。換（huàn）刀時，必須首先將用過的刀具送回刀庫，然後再從刀庫（kù）中取出新刀具，這兩個動作不（bú）可能同時進行，因此，換刀時間長。所示的數控（kòng）立式鏜銑床就是采用這種換刀方式的實例（lì）。它的選刀和換刀由三（sān）個坐標（biāo）軸的（de）數控定位係統來完（wán）成（chéng），因此每交（jiāo）換一次刀具，工作台和（hé）主軸箱就（jiù）必須沿（yán）著三個坐標軸（zhóu）作兩次來回（huí）運動，因而增加了換刀時間。另（lìng）外，由於刀庫（kù）置於工作台（tái）上（shàng），減少了工作台的有效使用（yòng）麵積。

（二）機械手換刀

由於刀庫及刀具交換方式的（de）不同（tóng），換刀機械手也有（yǒu）多種（zhǒng）形式（shì）。因為機械手換刀有很大的靈活性，而且還可以減少換刀時間，應用最為廣泛。

2、機（jī）械手形式

在自動換（huàn）刀數控機（jī）床（chuáng）中，機械手（shǒu）的形式也（yě）是多種多樣，常見的有以下幾種形式。

1．單臂單爪回轉式機械手（shǒu）

這種（zhǒng）機械手的手臂可以回轉不同（tóng）的角度來進（jìn）行自動換刀，其手臂上隻有一個卡爪，不（bú）論在（zài）刀庫上或是在主（zhǔ）軸上，均靠這個卡爪來裝刀及卸刀，因此換刀時（shí）間較長（zhǎng），如圖2(a)所示。

2．單臂雙爪回轉式（shì）機械手

這種機械手的手臂上有兩個卡爪，兩個卡爪有所分工。一個卡爪隻執行從主軸上取（qǔ）下“舊刀”送回刀（dāo）庫的任務（wù），另一個卡爪則執行由刀（dāo）庫取出“新刀”送到主軸的任務。其換刀時間較上述單（dān）爪回轉式機械手要少

3．雙臂回轉（zhuǎn）式機械（xiè）手

這種機械手的兩臂上各有一個卡爪，兩個卡爪可（kě）同時抓取刀（dāo）庫（kù）及主軸（zhóu）上（shàng）的刀具，回轉180°後又同時將（jiāng）刀具放（fàng）回刀庫（kù）及裝（zhuāng）入主軸。這種機械手換刀時間較（jiào）以上兩種單臂機械手均短，是最常用的一種形式。右邊的機（jī）械手在抓取或將刀具送入刀庫及（jí）主軸上，兩臂（bì）可伸縮。

4．雙（shuāng）機械手

這種機械手相當於兩個單臂單爪機（jī）械手，它（tā）們互相配合（hé）進行自（zì）動換刀。其中一個機械手從主（zhǔ）軸上取下（xià）“舊刀”送回刀庫，另一個由刀庫中取出“新刀”裝入機床主軸，

5．雙臂（bì）往複交叉式機械手

這種（zhǒng）機械手的兩手臂可以往複運動，並交叉成一定的角（jiǎo）度。一個手臂從主軸上取下“舊刀”送回刀（dāo）庫，另一個手臂由刀庫中取出“新（xīn）刀（dāo）”裝入主軸。整個機械手可沿某導軌直線移動或繞某個轉軸回轉，以實（shí）現由刀庫與主軸間的運刀（dāo）工作，

6．雙臂端麵夾（jiá）緊式機械手

這種機械手隻是（shì）在夾緊部位上與前幾種不同。前幾種機械手（shǒu）均靠夾緊刀柄的外圓表麵來抓取（qǔ）刀具，這種機械手則是靠夾緊刀柄的兩（liǎng）個端麵來抓取的。

3、機械手夾持結構

在換刀過程（chéng）中，由於（yú）機械（xiè）手抓住刀柄要作快速回轉，要作拔、插（chā）刀具的動作，還要保證刀柄（bǐng）鍵槽的角度位置對準（zhǔn）主（zhǔ）軸上的（de）驅動鍵。因此，機（jī）械手的夾持部分要十分可靠，並保證有適當（dāng）的（de）夾緊力，其活動爪要（yào）有（yǒu）鎖緊裝置（zhì），以防止刀具在換刀過程中轉動脫落。機械手夾持刀具的方法有以下兩種。

（一）柄式夾持

柄式夾持，也稱軸向夾持或V形（xíng）槽夾持。其刀柄前端有V形槽，供機械手夾持用，目前我國數控機床較（jiào）多采用這種（zhǒng）夾持方式。機（jī）械（xiè）手手掌（zhǎng）結構示意圖，它（tā）由固定爪（zhǎo）及活動（dòng）爪組（zǔ）成，活動爪可繞軸回轉（zhuǎn），其一端在彈簧柱塞的作用下，支靠在擋銷上，調整螺釘以保（bǎo）持手掌適當的夾緊力，鎖緊銷使（shǐ）活（huó）動爪牢固地夾持刀柄，防止刀具在（zài）交換過程中鬆脫。鎖緊銷還可（kě）軸向移動，使活動爪放鬆，以便（biàn）杈刀從刀柄V形槽（cáo）中退出。

4、自（zì）動換刀（dāo）動作順（shùn）序

由於（yú）自動換刀裝置的布局結構多種（zhǒng）多樣，其換刀過程動作順序會不盡相同。下麵分別以常見的雙臂往複交叉式機械（xiè）手（shǒu）和鉤刀機（jī）械手（shǒu）為例用動作（zuò）分圖加以說明。

（一（yī））雙臂往複（fù）交叉式機械（xiè）手（shǒu）的換刀過程

（1）開始換刀前狀態。主軸正用（yòng）T05號刀（dāo）具進行加工，裝刀機械手已抓住下一工步需用（yòng）的（de）T09號刀（dāo）具，機（jī）械手架處於（yú）最高位置，為換刀做好了準備（bèi）；

（2）上一工步結束，機床立柱後退，主（zhǔ）軸箱上升，使主軸處於換刀位（wèi）置。接著下一工步開始，其（qí）第一個指令是換（huàn）刀，機械手架（jià）回轉180o轉（zhuǎn）向主（zhǔ）軸。

（3）卸刀機械手前伸，抓住主軸上已用過的T05號刀具。

（4）機械手架由滑座帶動，沿刀具軸線（xiàn）前（qián）移（yí），將T05號（hào）刀具從主軸上拔出。

（5）卸刀機械手縮回原位。

（6）裝（zhuāng）刀機械（xiè）手前伸，使T09號刀具對準主軸。

（7）機械手架後移，將T09號刀具插入主（zhǔ）軸（zhóu）。

（8）裝刀機械手縮回原位。

（9）機械手（shǒu）架回轉180o，使裝刀、卸刀機械手轉向（xiàng）刀庫。

（10）機（jī）械手架由橫梁帶動下降，找（zhǎo）第二（èr）排刀套鏈，卸刀機械手將T05號刀具插回P05號（hào）刀套中。

（11）刀套鏈轉（zhuǎn）動把在（zài）下（xià）一個工（gōng）步需用的T46號刀具送（sòng）到換刀位置,機械手（shǒu）一降,找第三排刀鏈,由裝刀機械手將T46號刀具取出。

（12）刀套鏈反轉，把P09號刀套送到換（huàn）刀位置，同時機械手架上升至最（zuì）高位（wèi）置，為再下一工（gōng）步的換刀做好準備（bèi）。

（二）鉤刀機械手的換刀過程

作為最常用的（de）一種（zhǒng）換刀（dāo）形式，換刀一次所需的基本動（dòng）作如下。

（1）抓刀（dāo）。手臂旋轉90o，同時抓住刀庫和主軸上的刀（dāo）具。

（2）拔刀。主軸夾頭鬆開刀具，機械手同時將刀（dāo）庫和主軸上的刀具拔出。

（3）換刀。手臂旋轉180o，新舊刀具更（gèng）換。

（4）插刀。機械手同時將新舊刀具分別插入主軸和刀庫，然後主軸夾頭夾緊刀具；

（5）複位。轉動手臂，回到原始位置。